Forskere udvikler realtidsteknik til at studere ioniske væsker ved elektrodegrænseflader

Ioniske væsker - salte fremstillet ved at kombinere positivt ladede molekyler (kationer) og negativt ladede molekyler (anioner), der er flydende ved relativt lave temperaturer, ofte under stuetemperatur - undersøges i stigende grad for brug i batterier, superkondensatorer, og transistorer. Deres unikke fysiske og kemiske egenskaber, herunder god ionisk ledningsevne, lav antændelighed og flygtighed og høj termisk stabilitet, gør dem velegnede til sådanne applikationer. Men der findes tusinder af ioniske væsker, og præcis hvordan de interagerer med elektrodernes elektrificerede overflader, er stadig dårligt forstået, gør det svært at vælge den rigtige ioniske væske til en bestemt anvendelse.

Nu, forskere ved US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory har demonstreret en ny metode til i realtid at observere, hvordan ionerne af sådanne væsker bevæger sig og omkonfigureres, når forskellige spændinger påføres elektroderne. Metoden er beskrevet i et papir, der blev offentliggjort den 12. maj i onlineudgaven af Avancerede materialer .

"Når ioniske flydende elektrolytter kommer i kontakt med en elektrificeret elektrode, en særlig struktur bestående af skiftevis lag af kationer og anioner - kaldet et elektrisk dobbeltlag (EDL) - dannes ved denne grænseflade, "sagde første forfatter Wattaka Sitaputra, en videnskabsmand ved Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials (CFN), en DOE Office of Science User Facility, hvor forskningen blev udført. "Men sporing af udviklingen i EDL i realtid, hvor de elektrokemiske reaktioner finder sted i batterier, er svært, fordi den er meget tynd (kun få nanometer tyk) og begravet af hovedparten af ​​den ioniske væske. "

Indtil nu, forskere har kun kunnet se på de indledende og endelige EDL -strukturer ved hjælp af mikroskopi og spektroskopi teknikker; den mellemliggende struktur har været sværere at undersøge. For at visualisere EDL's strukturelle ændringer og ionenes bevægelse som spænding påføres elektroderne, Brookhaven -teamet brugte en billeddannelsesteknik kaldet fotoemission elektronmikroskopi (PEEM). I denne teknik, overfladeelektroner exciteres med en energikilde og accelereres til et elektronmikroskop, hvor de passerer gennem forstørrelseslinser, før de projiceres på en detektor, der registrerer elektronerne, der udsendes fra overfladen. Lokale variationer i fotoemissionssignalintensiteterne bruges derefter til at generere kontrastbilleder af overfladen. I dette tilfælde, holdet brugte ultraviolet lys til at ophidse elektronerne på overfladerne af både den ioniske væske (kendt som EMMIM TFSI), de deponerede som tynde film og to guldelektroder, de fremstillede.

"Billeddannelse af hele overfladen, herunder elektroderne og mellemrummet mellem dem, giver os mulighed for ikke kun at studere udviklingen af ​​strukturen af ​​det ioniske væske-elektrode-grænseflade, men også at undersøge begge elektroder på samme tid, mens vi ændrer forskellige forhold i systemet, "sagde CFN -videnskabsmand og medforfatter Jerzy (Jurek) Sadowski.

I denne indledende demonstration, holdet ændrede spændingen på elektroderne, tykkelsen af ​​de ioniske flydende film, og systemets temperatur, alt sammen med overvågning af ændringer i fotoemissionsintensitet.

Forskerne fandt ud af, at ionerne (som normalt ligger i en skakbrætlignende konfiguration for denne ioniske væske) bevæger sig og arrangerer sig selv efter tegn og størrelse på den påførte spænding. Kationer trækker mod elektroden med den negative bias for at imødegå ladningen, og omvendt for anioner.

Da forskellen i potentiale stiger mellem de to elektroder, et meget tæt lag af kationer eller anioner kan ophobes nær den forspændte elektrode, forhindrer yderligere ioner af den samme ladning i at flytte dertil (et fænomen kaldet overbelægning) og reducere ionmobilitet.

De opdagede også, at flere modioner samles nær den forspændte elektrode i tykkere film.

"For meget tynde film, antallet af ioner, der er tilgængelige til omlejring, er lille, så EDL -laget muligvis ikke kan dannes, "sagde Sitaputra." I de tykkere film, flere ioner er tilgængelige, og de har mere plads til at flytte rundt. De skynder sig til grænsefladen og spredes derefter tilbage i bulk ved overfyldning for at danne en mere stabil struktur. "

Teamet undersøgte yderligere vigtigheden af ​​mobilitet i omlejringsprocessen ved at afkøle den tykkere film, indtil ionerne stort set stoppede med at bevæge sig.

Ifølge holdet, at anvende PEEM til et operando -eksperiment er ganske nyt og er aldrig blevet gjort for ioniske væsker.

"Vi var nødt til at overvinde flere tekniske udfordringer i den eksperimentelle opsætning, herunder design og fremstilling af de guldmønstrede elektroder og inkorporering af prøveholderen i elektronmikroskopet "forklarede Sadowski." Ioniske væsker er sandsynligvis ikke blevet undersøgt gennem denne teknik, fordi det virker kontraintuitivt at putte en væske i et ultrahøjt vakuumbaseret mikroskop. "

Teamet planlægger at fortsætte deres forskning ved hjælp af det nye aberrationskorrigerede lavenergi-elektronmikroskop (LEEM)/PEEM-system-installeret gennem et partnerskab mellem CFN og National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), en anden DOE Office of Science User Facility i Brookhaven-ved NSLS-IIs elektronspektro-mikroskopi-stråle. Dette system vil sætte teamet i stand til ikke kun at studere de strukturelle og elektroniske ændringer, men også de kemiske ændringer i den ioniske væske-elektrode-grænseflade-alt sammen i et enkelt eksperiment. Ved at bestemme disse unikke egenskaber, forskere vil være i stand til at vælge de optimale ioniske væsker til specifikke energilagringsapplikationer.